ТОПОЛОГІЇ МЕРЕЖ
«Тополо́гія», або «топологія мережі», характеризує фізичне розташування комп'ютерів, кабелів й інших компонентів мережі.
Під топологією обчислювальної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді й інше устаткування, наприклад концентратори), а ребрам – зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями, вузлами мережі або хостами.
При проектуванні мереж в першу чергу необхідно вибрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію.
Зауважимо, що конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв'язків між вузлами мережі. Логічні зв'язки – це маршрути передачі даних між вузлами мережі, які утворяться шляхом відповідної настройки комунікаційного устаткування. Відповідно до характеру вказаних зв’язків виділяють наступні типи топологій:
- фізична - описує реальне розташування і зв'язки між вузлами мережі;
- логічна - описує маршрути проходження сигналу в рамках фізичної топології;
- інформаційна - описує напрямок потоків інформації, що передається мережею;
- управляння обміном - це принцип передачі прав на захват мережі.
Вибір фізичної топології істотно впливає на велику кількість характеристик мережі. Наприклад, існування резервних зв'язків підвищує надійність мережі та дозволяє організовувати, балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто призводять до вибору топологій, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.
Розглянемо топології, які зустрічаються найчастіше.
Зміст
Фізична топологія
Повнозв'язна топологія
Повнозв’язна топологія відповідає мережі, в якій кожен комп'ютер мережі пов'язаний зі всіма іншими. Незважаючи на логічну простоту, цей варіант є громіздким і неефективним. Дійсно, кожен комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв'язку з кожним з інших комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути виділена окрема електрична лінія зв'язку (мал. Стандартні топології, а). Повнозв’язні топології застосовуються рідко, частіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах.
Всі інші варіанти базуються на неповнозв’язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами може знадобитися проміжна передача даних через інші вузли мережі.
Коміркова топологія
Чарункова або коміркова топологія (mesh) утворюється з повнозв’язної шляхом видалення деяких можливих зв'язків (мал. Стандартні топології, б). У мережі з чарунковою топологією безпосередньо зв'язуються тільки ті комп'ютери, між якими відбувається інтенсивний обмін даними, а для обміну даними між комп'ютерами, не сполученими прямими зв'язками, використовуються транзитні передачі через проміжні вузли. Чарункова (коміркова) топологія припускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для глобальних мереж.
Перевагою цієї мережі є її відмовостійкість, гарантована пропускна спроможність каналу зв'язку і те, що такі мережі достатньо легко діагностувати.
До недоліків чарункової топології відносяться складність інсталяції і реконфігурації, а також вартість.
Топологія загальна шина
Загальна шина є досить поширеною (а донедавна найпоширенішою) топологією для локальних мереж (мал. Стандартні топології, в). У цьому випадку комп'ютери підключаються до одного коаксіального кабелю за схемою «монтажного АБО». Передана інформація може поширюватися в обидві сторони. Застосування загальної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різноманітних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого широкомовного звертання до всіх станцій мережі.
Таким чином,
Перевагами такої схеми є:
а) невисока вартість;
б) простота розведення кабелю в приміщеннях;
в) простота налаштування;
г) шинну топологію легко розширити. Два кабельні сегменти можна зістикувати в один довгий кабель за допомогою циліндрового з'єднувача BNC. Це дозволяє підключити до мережі додаткові комп'ютери;
д) для розширення мережі з шинною топологією можна використовувати повторювач. Повторювач (repeater) підсилює сигнал і дозволяє передавати його на великі відстані.
Недоліки загальної шини:
а) низькіа надійность - будь-який дефект кабелю чи якого-небудь із чисельних роз'ємів повністю паралізує мережу;
б) невисока продуктивність - тому що при такому способі підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна спроможність каналу зв'язку завжди ділиться тут між усіма вузлами мережі.
Топологія зірка
Топологія зірка (мал. Стандартні топології, г) У цьому випадку кожен комп'ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою – концентратора, що знаходиться в центрі мережі. У функції концентратора входить напрямок переданої комп'ютером інформації одному або всім іншим комп'ютерам мережі. На мережний сервер, крім основних функцій, можуть бути покладені додаткові функції з узгодження швидкостей роботи станцій і перетворення протоколів обміну, це дозволяє в рамках однієї мережі об'єднувати різнотипні робочі станції.Кожен комп'ютер в мережі з топологією типу "зірка" взаємодіє з центральним концентратором, який передає повідомлення всіх комп'ютерів (у зіркоподібній мережі з широкомовною розсилкою) або тільки комп'ютеру-адресатові (у комутованій зіркоподібній мережі). Мережний сервер підключається до комутатора як робоча станція, але з максимальним пріоритетом. У цьому випадку структура центрального вузла значно спрощується, що у сполученні з високошвидкісними каналами дозволяє досягти досить високої швидкості передачі даних. Так, наприклад, у зірчастій мережі Ultra Net швидкість передачі даних становить 1,4 Гбіт/с.
Активний концентратор регенерує електричний сигнал і посилає його всім підключеним комп'ютерам. Такий тип концентратора часто називають багатопортовим повторювачем (multiport repeater). Для роботи активних концентраторів і комутаторів потрібне живлення від мережі. Пасивні концентратори, наприклад, комутаційна кабельна панель або комутаційний блок, діють як точка з'єднання, не підсилюючи і не регенеруючи сигнал. Електроживлення такі пристрої не вимагають.
Для реалізації мережі з топологією типу "зірка" можна застосовувати декілька типів кабелів. Гібридний концентратор дозволяє використовувати в одній зіркоподібній мережі різні типи кабелів.
Головна перевага цієї топології перед загальною шиною – істотно збільшена надійність. Така мережа допускає просту модифікацію і додавання комп'ютерів, не порушуючи інші її частини. Досить прокласти новий кабель від комп'ютера до центрального вузла і підключити його до концентратора. Якщо можливості центрального концентратора будуть вичерпані, слід замінити його пристроєм з великим числом портів. Будь-які проблеми з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і за необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі. Центральний концентратор мережі зручно використовувати для діагностики. Інтелектуальні концентратори (пристрої з мікропроцесорами, доданими для повторення мережних сигналів) забезпечують також моніторинг і управління мережею. у одній мережі допускається застосування декількох типів кабелів (якщо їх дозволяє використовувати концентратор).
Недоліком топології типу “зірка” є вища вартість мережевого обладнання: через необхідність придбання концентратора. Крім того, можливості нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. При відмові центрального концентратора стає непрацездатною вся мережа. Багато мереж з топологією типу "зірка" вимагають застосування на центральному вузлі пристрою для ретрансляції широкомовних повідомлень або комутації мережного графіка. Всі комп'ютери повинні з'єднуватися з центральним вузлом, це збільшує витрату кабелю, а отже, такі мережі дорожчі, ніж мережі з іншою топологією.Іноді має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно сполучених між собою зв'язками типу зірка. Сьогодні ієрархічна зірка є найбільш поширеним типом топології зв'язків і у локальних, і у глобальних мережах.
Топологія кільце
У мережах із кільцевою конфігурацією (мал. Стандартні топології, е), на відміну від інших топологій, не використовується конкурентний метод посилки даних; комп'ютер в мережі отримує дані від попереднього у списку адресатів, і якщо дані передаються не йому, то передає наступному вузлу мережі. Список адресатів генерується комп'ютером, що виконує роль генератора маркера.
Кільцева топологія застосовується в мережах, що вимагають резервування певної частини смуги пропускання для критичних за часом засобів (наприклад, для передачі відео і аудіо), у високопродуктивних мережах, а також при великому числі клієнтів, що звертаються до мережі (що вимагає її високої пропускної спроможності).
Кільце – дуже зручна конфігурація для організації зворотного зв’язку – дані, зробивши повний оборот, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату. Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв’язності мережі і пошуку вузла, що працює некоректно. Для цього в мережу посилаються спеціальні тестові повідомлення.
Переваги:
а) простота установки;
б) практично повна відсутність додаткового обладнання (концентратори, комутатори,...);
в) використання маркера виключає можливість виникнення колізій.
Недоліками є:
а) поломка однієї машини, або інші несправності (дефект кабеля), призводять до непрацездатності мережі;
б) складність пошуку несправності.
Додавання або видалення комп'ютера змушує розривати мережу, усувається завдяки використанню "подвійного" кільця. Для цього до складу локальної мережі включають додаткові лінії зв'язку пристрої реконфігурації — спеціальні перемикальні пристрої, прості й надійні. На рис. 1. показано схему перемикання з одного кільця на інше у випадку виходу з ладу одного із сегментів кільця.
У разі потреби може бути ізольована одна (рис. 2. а) або декілька робочих станцій (рис. 2. б)
Змішана топологія
У той час як невеличкі мережі, як правило, мають типову топологію – зірка, кільце або загальна шина, для значних мереж характерним є існування довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно пов'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією.
Топологія Token Ring
Ця топологія заснована на топології "фізичне кільце з підключенням типу зірка". В даній топології всі робочі станції підключаються до центрального концентратора (Token Ring) як в топології фізична зірка. Центральний концентратор - це пристрій, який забезпечує послідовне з'єднання виходу однієї станції з входом іншої.
Іншими словами, кожна станція поєднується тільки з двома іншими (попередньою і наступною) станціями. Таким чином, робочі станції зв'язані петлею кабелю, по якій пакети даних передаються від однієї станції до іншої, і кожна станція ретранслює ці відправлені пакети. Фізично така мережа побудована по типу топологія "зірка".
В архітектурі Token Ring маркер передається від вузла до вузла по логічному кільцю, створеному центральним концентратором. Така маркерна передача здійснюється в фіксованому напрямку (напрямок руху маркера і пакетів даних показано на малюнку струлками синього кольору). Станція, що володіє маркером, може передати дані наступній станції.
Переваги мережі топології Token Ring:
- забезпечує рівний доступ до всіх робочих станцій;
- висока надійність.
Недоліками є:
- висока вартість побудови мережі.
Спеціальні топології
Використані джерела:
1. Лекційні матеріали до курсу Мережі ЕОМ (3 курс)
2. Мережа інтернет
Аналіз топологій мереж
При проектуванні мережі в першу чергу треба розробити її топологію. При правильному підході до цього питання мають бути ретельно проаналізованими такі характеристики мережі, як передбачувані обсяги інформації, яка буде оброблюватися, кількість робочих станцій та серверів, типи з’єднань, необхідна швидкість передачі данних, поділ мережі на сегменти тощо. Від неупередженого підходу до цього питання залежить майбутня продуктивність мережі.
В загальному випадку, топологією можна назвати форму розміщення кабелів, які з’єднують всі компоненти мережі. Існують три основних типи топологій: в вигляді шини, зірки та кільця. Використовуються також різні варіанти їх комбінацій. Розрізняють також фізичну топологію, яка визначає фізичне розміщення вузлів та з’єднань (шина, зірка, кільце), і логічну, при якій визначаються напрям і порядок обробки потоків данних (шина, кільце).
При аналізі топологій мереж використовуються таке поняття, як робота багатопроцесорного паралельного комплексу, в якому кожний процесор є окремим комп'ютером в мережі, а зв'язки між процесорами являють собою ліній, якими з'єднано робочі станції.
